{"id":14623,"date":"2018-09-30T19:08:47","date_gmt":"2018-09-30T17:08:47","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bmscience.net\/blog\/?p=14623"},"modified":"2024-02-07T22:55:23","modified_gmt":"2024-02-07T21:55:23","slug":"diffusione-dei-gas-nei-sistemi-biologici","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/bmscience.net\/blog\/diffusione-dei-gas-nei-sistemi-biologici\/","title":{"rendered":"Diffusione dei gas nei sistemi biologici"},"content":{"rendered":"
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Sezione schematica ingrandita della membrana alveolare e del capillare polmonare con indicati gli scambi di ossigeno e anidride carbonica.
Fonte: Fisica biomedica<\/a>.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

La diffusione di gas<\/strong> attraverso membrane biologiche, \u00e8 il processo fisico alla base della respirazione. In questo processo si ha il rifornimento di O2 <\/sub><\/strong>che viene utilizzato nei processi metabolici cellulari e l\u2019eliminazione della CO2 <\/sub><\/strong>da essi prodotta nelle cellule. L\u2019aria che entra nei polmoni \u00e8 distribuita negli alveoli tramite condotti molto ramificati collegati con l\u2019esterno.
I polmoni umani contengono circa 0.6 miliardi di alveoli<\/strong>, piccoli involucri sferoidali del diametro di circa 150-250 \u03bcm. L\u2019aria nell\u2019alveoli \u00e8 una miscela di N2<\/sub><\/strong>, O2<\/sub><\/strong>, CO2<\/sub><\/strong> e vapor d\u2019H2<\/sub>O<\/strong> oltre a tracce trascurabili di altri gas contenuti nell\u2019aria che si respira.<\/p>\n\n\n\n

L\u2019O2 <\/sub><\/strong>diffonde dall\u2019interno dell\u2019alveolo, attraverso la membrana alveolare fino a penetrare nei capillari del sangue che circondano l\u2019alveolo.
Attraversata la parete capillare, le molecole di O2 <\/sub><\/strong>diffondono nel plasma e poi, attraverso la membrana cellulare dei globuli rossi, sono catturate dall\u2019emoglobina<\/strong> a cui si legano chimicamente. In seguito, l\u2019O2 <\/sub><\/strong>viene trasportato dai globuli rossi attraverso il sistema circolatorio fino alla rete di capillari che pervade i tessuti, dove l\u2019emoglobina rilascia O2 <\/sub><\/strong>che diffonde attraverso le pareti dei capillari nel liquido interstiziale.
Infine, l\u2019O2 <\/sub><\/strong>arriva alle cellule attraverso la membrana cellulare, dove \u00e8 utilizzato nei processi metabolici che producono CO2<\/sub><\/strong>. La CO2 <\/sub><\/strong>ripercorre il percorso dell\u2019O2 <\/sub><\/strong>in senso inverso. La diffusione di queste 2 molecole, O2 <\/sub><\/strong>e CO2 <\/sub><\/strong>\u00e8 schematizzata nella figura in basso.<\/p>\n\n\n

\"\"<\/a><\/div>\n\n\n
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\n\t\t\t\n\t\t\tIndice dei contenuti<\/span>\n\t\t\t<\/div>
  1. Trasporto nel sangue di O2 <\/sub>e CO2 <\/sub>attraverso membrane<\/a><\/li>
  2. Diffusione dell’ossigeno<\/a><\/li>
  3. Ossigeno trasportato dall\u2019emoglobina<\/a><\/li>
  4. Diffusione dell’Azoto<\/a><\/li><\/ol><\/div>

    <\/span>Trasporto nel sangue di O2 <\/sub>e CO2 <\/sub>attraverso membrane<\/span><\/h2>\n\n\n
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    Schema di diffusione di O2 <\/sub>e CO2<\/sub> dall’aria alveolare ai tessuti e viceversa. I numeri rappresentano le pressioni parziali dei due gas espresse in mmHg.
    Fonte:     Fisica biomedica<\/a>.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

    Le pressioni parziali<\/strong> sono calcolate avendo prima sottratto la tensione di vapore dell\u2019acqua<\/strong> e poi ripartendola percentualmente tra i restanti gas, dato che questi possono essere trattati come gas perfetti.
    Questa catena di processi diffusivi raggiunge, a regime, un equilibrio dinamico in ognuna delle fasi.<\/p>\n\n\n\n

    Negli alveoli, la composizione dell\u2019aria \u00e8 quasi costante e le pressioni parziali di O2 <\/sub><\/strong>e CO2 <\/sub><\/strong>sono tali da favorire la rimozione della CO<\/strong>2<\/strong> <\/sub>ed il rifornimento di O2<\/sub><\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

    La diffusione dei gas attraverso la membrana alveolare \u00e8 dovuta alla differenza di pressione parziale che esiste fra i gas nell\u2019alveolo e quelli nel sangue. Lo stesso meccanismo agisce tra sangue nei capillari e liquido interstiziale attraverso la membrana capillare.<\/p>\n\n\n

    \"\"<\/a><\/div>\n\n\n

    <\/span>Diffusione dell’ossigeno<\/span><\/h2>\n\n\n\n

    Per valutare l’efficacia della sola diffusione dell’ossigeno nel sangue venoso (ossigenazione), si applica la legge di Henry, per cui il volume di O2<\/sub><\/strong> (VO2<\/sub>)<\/strong> che si scioglie in 100 ml<\/strong> di sangue venoso, essendo la pressione parziale dell\u2019O2 <\/sub>pO2 <\/sub>= 99,8 mmHg<\/strong> e supponendo il sangue costituito essenzialmente da H2<\/sub>O<\/strong>, \u00e8:<\/p>\n\n\n

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    \"\"<\/figure>\n<\/div>\n\n\n

    Dove s = 2,3 (cm3<\/sup>\/atm)<\/strong> \u00e8 il coefficiente di solubilit\u00e0<\/strong> di O2 <\/sub><\/strong>in H2<\/sub>O<\/strong> alla p = 1 atm<\/strong>. Quindi, per la legge di Henry in 1 litro di sangue si scioglie un volume di 3 cm3 <\/sup><\/strong>di O2<\/sub><\/strong>.
    Se adesso confrontiamo questo valore con le necessit\u00e0 di O2 <\/sub>dell\u2019organismo sapendo che la minima quantit\u00e0 di energia necessaria a mantenere le sole funzioni vitali dell\u2019organismo (metabolismo basale<\/strong>) \u00e8 per un soggetto adulto di circa 50 kcal\/h m2<\/sup><\/strong> e che la superficie corporea media in tale soggetto \u00e8 circa 2 m2<\/sup><\/strong>, mentre il calore Q<\/strong> di combustione sviluppato da 1 litro di O2 <\/sub><\/strong>in condizioni NTP<\/strong> (0 \u00b0C e 1 atm<\/strong>) \u00e8 nei processi metabolici di circa 4,825 kcal<\/strong>, per ottenere 50 kcal\/h m2 <\/sup><\/strong>una persona deve utilizzare un volume di O2<\/sub><\/strong>:<\/p>\n\n\n

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    \"\"<\/figure>\n<\/div>\n\n\n

    Passando da NTP<\/strong> a 37 \u00b0C<\/strong>, essendo la pressione costante, possiamo applicare la legge di Gay\u2013Lussac<\/strong>:<\/p>\n\n\n

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    \"\"<\/figure>\n<\/div>\n\n\n

    Questa \u00e8 la minima quantit\u00e0 di O2 <\/sub><\/strong>che deve pervenire ai tessuti.
    Poich\u00e9 la quantit\u00e0 di sangue arterioso immessa in circolo dal ventricolo sinistro, in ogni contrazione \u00e8 circa 60 cm3 <\/sup><\/strong>e la frequenza cardiaca \u00e8 quasi 1 Hz<\/strong>, il sangue ossigenato in circolo in 1 h<\/strong> \u00e8:<\/p>\n\n\n\n

    6\u22c510\u22122 <\/sup>m3 <\/sup>\u22c5 1 \u22121 <\/sup>\u22c5 3600 s\/h = 216 l\/h<\/strong><\/p>\n\n\n\n

    Il contenuto di O2 <\/sub><\/strong>in 216 l\/h<\/strong> di sangue \u00e8:<\/p>\n\n\n

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    \"\"<\/figure>\n<\/div>\n\n\n

    Questa quantit\u00e0 di O2 <\/sub><\/strong>\u00e8 di gran lunga inferiore a 24 l\/h<\/strong> richiesti dal metabolismo basale. Quindi, il semplice processo fisico della diffusione non \u00e8 sufficiente a fornire O2 <\/sub><\/strong>per le minime necessit\u00e0 vitali dell\u2019organismo umano.
    La soluzione a questo problema \u00e8 di tipo biochimico, infatti, la maggior parte delle molecole di O2 <\/sub><\/strong>si legano alle molecole di emoglobina contenuta nei globuli rossi, che ne consentono il trasporto ed il rilascio ai tessuti biologici in grandi quantit\u00e0. Quindi l\u2019O2 <\/sub>che si lega all\u2019emoglobina \u00e8 maggiore dei 3 cm3 <\/sup><\/strong>sciolti in 1 litro<\/strong> di sangue forniti dal processo di diffusione.<\/p>\n\n\n

    \"\"<\/a><\/div>\n\n\n

    <\/span>Ossigeno trasportato dall\u2019emoglobina<\/span><\/h2>\n\n\n
    \"\"<\/a><\/div>\n\n\n

    Il volume di O<\/strong>2<\/strong><\/sub> trasportato dall’emoglobina in 1 h<\/strong>, considerando che 1 gr<\/strong> di emoglobina trattiene un massimo di 1,34 ml<\/strong> di O2<\/sub><\/strong> quando \u00e8 satura e che normalmente il sangue contiene circa 15 gr<\/strong> di emoglobina ogni 100 ml<\/strong> di sangue, \u00e8: 1,34 ml\/gr \u22c5 15 gr = ml<\/strong> di O2 <\/sub><\/strong>in 100 ml<\/strong> di sangue (cio\u00e8 200 ml<\/strong> di O2<\/sub> <\/strong>in 1 l<\/strong> di sangue). Ai tessuti giungono in 1 h<\/strong> circa 216 l<\/strong> di sangue ossigenato. Il contenuto di O2 <\/sub><\/strong>legato alle molecole di emoglobina (che contiene un massimo di 4 molecole di O2<\/sub><\/strong>) risulta:<\/p>\n\n\n\n

    216 l\/h<\/strong> \u00b7 200 ml(O2<\/sub>)\/l <\/strong>= 43200 ml\/h<\/strong> = 43.2 l\/h<\/strong><\/pre>\n\n\n\n
    Il metabolismo basale richiede un minimo di 24 l\/h<\/strong> di O2<\/sub><\/strong>, quindi l\u2019approvvigionamento di O2 <\/sub><\/strong>ai tessuti \u00e8 pi\u00f9 che sufficiente.<\/p>\n\n\n\n
    <\/span>Diffusione dell’Azoto<\/span><\/h2>\n\n\n
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    \"\"<\/figure>\n<\/div>\n\n\n
    L\u2019N2 <\/sub><\/strong>non partecipa ai processi biologici importanti e diffonde nel corpo umano cos\u00ec come previsto dalla legge di Henry. A 37 \u00b0C<\/strong> nell\u2019alveolo, pN2 <\/sub>= 573 mmHg<\/strong> e il coefficiente di solubilit\u00e0 s<\/strong> dell\u2019N2 <\/sub><\/strong>in acqua \u00e8: sN2<\/sub> = 1,2 cm3<\/sup>\/atm<\/strong> (per 100 ml<\/strong> di H2<\/sub>O<\/strong>) e la quantit\u00e0 di N2 <\/sub><\/strong>disciolto nei tessuti per ogni 100 ml<\/strong> di H2<\/sub>O<\/strong> risulta:<\/p>\n\n\n
    \n
    \"\"<\/figure>\n<\/div>\n\n\n
    Se un adulto ha una massa m = 80 kg<\/strong> e contiene circa 67%<\/strong> di H2<\/sub>O<\/strong>, il VN2 <\/sub><\/strong>disciolto diventa:<\/p>\n\n\n
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    \"\"<\/a>
    Acquista<\/a> <\/a>ora<\/a><\/strong><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n
    Questo risultato vale per la pressione esterna dell\u2019aria di 1 atm<\/strong>. Se la pressione dell\u2019aria inspirata cresce, come nel caso di immersioni subacquee, a causa della pressione idrostatica, il volume di N2 <\/sub><\/strong>disciolto nel sangue e nei tessuti aumenta secondo la legge di Henry: VN2 <\/sub>= sN2 <\/sub>\u00b7 pN2
    <\/sub><\/strong>Se la pressione esterna torna rapidamente ad 1 atm<\/strong> (emersione rapida), la quantit\u00e0 in eccesso di N2 <\/sub><\/strong>in soluzione si libera e poich\u00e9 il processo di eliminazione attraverso la diffusione alveolare \u00e8 lento, si formano bolle gassose di N2 <\/sub><\/strong>nel sangue e nei tessuti, con il rischio di embolia gassosa<\/strong>.
    Infine, nelle immersioni, se la pressione parziale di N2 <\/sub><\/strong>supera 4 atm<\/strong> (40 m<\/strong> di profondit\u00e0), la grande quantit\u00e0 di N2 <\/sub><\/strong>disciolta nell\u2019organismo (circa 2 l<\/strong>) provoca effetti anestetici (narcosi da N2<\/sub><\/strong>) dovuta all\u2019azione esercitata sulle cellule nervose.<\/p>\n\n\n\n
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    Fonte: Fisica biomedica<\/a>.<\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n
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    La diffusione di gas attraverso membrane biologiche, \u00e8 il processo fisico alla base della respirazione. In questo processo si ha il rifornimento di O2 che viene utilizzato nei processi metabolici cellulari e l\u2019eliminazione della CO2 da essi prodotta nelle cellule. L\u2019aria che entra nei polmoni \u00e8 distribuita negli alveoli tramite condotti molto ramificati collegati con…<\/p>\n
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